Вопросам экономии электроэнергии радиолюбители уделяют большое внимание — об этом свидетельствуют многочисленные публикации с описанием фотореле — устройств для отключения освещения в светлое время суток.
Предлагаемое фотореле (его схема представлена на рисунке) имеет малое собственное потребление электроэнергии и подключается по двухпроводной схеме параллельно штатному выключателю. Устройство содержит мощный электронный ключ на симисторе VS1, подключённый параллельно штатному выключателю SА1. Работой симистора управляет слаботочный ключ на составном транзисторе VТ2VТЗ, включённом в диагональ диодного моста VD4—VD7. Резистор R5 в эмиттерной цепи транзистора VТ2 предотвращает работу транзистора VТЗ в режиме с «оборванной» базой при закрытом транзисторе VТ2. Слаботочный ключ включается базовым током транзистора VТ2, протекающим через резистор R4. Как известно, коэффициент передачи тока базы составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи транзисторов, его составляющих. У применённых автором транзисторов минимальное значение этого коэффициента равно 30, т. е. коэффициент передачи тока базы составного транзистора в данном случае не менее 900, что позволяет применить достаточно высокоомный резистор R4, при этом потребляемая устройством мощность не превысит 0,15 Вт в режиме ожидания, а после срабатывания фотореле — значительно меньше.
Триггеры Шмитта микросхемы DD1 включены инверторами, и, на первый взгляд, их можно заменить инверторами из элементов 2И—НЕ или 2ИЛИ—НЕ микросхемы К561ЛА7 или К561ЛЕ5. Однако в данном устройстве такая замена некорректна. Напряжение на входах элементов DD1.1 и DD1.2 изменяется медленно: у первого — из-за плавного изменения уровня естественного освещения, а у второго — из-за большой постоянной времени цепи R3C2. Триггеры Шмитта имеют чёткий порог срабатывания, а у элементов логики в этом месте входной характеристики имеется зона неопределённости, когда один из входных транзисторов ещё не успел закрыться, а второй уже начал открываться. В результате возникает сквозной ток через транзисторы и ток, потребляемый микросхемой, резко возрастает. Входная цепь ключа на транзисторах VT2 и VT3 работает в режиме микротоков, и такое изменение режима работы микросхемы приведёт к сбоям в работе устройства.
Предлагаемое фотореле работает следующим образом. При подключении его к осветительной сети параллельно штатному выключателю SA1 в течение нескольких полупериодов выпрямленного диодным мостом VD4—VD7 тока будет заряжаться конденсатор СЗ. Когда напряжение на нём достигнет напряжения пробоя стабилитрона VD3 (в режиме микротоков оно меньше напряжения стабилизации, нормируемого при токе в несколько миллиампер), откроются транзисторы VT2 и VT3. Когда ток через транзисторы достигнет значения, достаточного для открывания симистора VS1, то он откроется, шунтируя и выключатель, и диодный мост VD4—VD7.
Конденсатор СЗ будет подзаряжаться в начале каждого полупериода сетевого напряжения, пока симистор VS1 закрыт. При подключении устройства конденсатор С2 разряжен, напряжение на входах элемента DD1.2 равно 0, напряжение на его выходе — лог. 1, а на выходе элемента DD1.3 — лог. О, поэтому полевой транзистор VT1 закрыт и не оказывает никакого влияния на работу устройства.
Дальнейшая работа устройства определяется уровнем освещения фотодиода VD1. Если он (уровень) недостаточен, то обратное сопротивление фотодиода велико, на входах элемента DD1.1 присутствует уровень лог. 1, на выходе — уровень лог. 0, и никаких изменений в работе устройства не происходит — в начале каждого полупериода сетевого напряжения открывается симистор VS1, подавая напряжение на осветительную лампу EL1.
По мере повышения уровня освещения обратное сопротивление фотодиода VD1 снижается, и в какой-то момент напряжение на нём становится меньше порога срабатывания триггера Шмитта DD1.1 — на его выходе (вывод 3) появляется уровень лог. 1, при этом током через резистор R3 начинает заряжаться конденсатор С2. Через несколько десятков секунд (зависит от ёмкости конденсатора С2 и сопротивления резистора R3) напряжение на объединённых входах триггера Шмитта DD1.2 достигает уровня срабатывания, и на его выходе (вывод 4) появляется уровень лог. 0. В результате элемент DD1.3 переключается, на его выходе (вывод 10) появляется уровень лог. 1 и полевой транзистор VT1 открывается, шунтируя эмиттерные переходы транзисторов VT2 и VT3. В дальнейшем транзистор VT1 остаётся открытым, и через управляющий электрод симистора VS1 протекает ток, ограниченный резистором R4 до максимальной амплитуды менее 1 мА, что меньше тока открывания симистора.
При экспериментах по замене симистора ТС106-10-10 импортными симисторами выяснилось, что у отдельных экземпляров симисторов BT137-600E ток открывания меньше 1 мА, и симистор при нахождении фотореле в режиме ожидания открывается при достижении максимальной амплитуды сетевого напряжения, при этом лампа EL1 светит вполнакала. Для нормальной работы фотореле со столь чувствительным симистором сопротивление резистора R4 пришлось увеличить до 1 МОм.
При снижении уровня освещения обратное сопротивление фотодиода VD1 увеличивается, напряжение на входах элемента DD1.1 повышается и в какой- то момент триггер Шмитта DD1.1 переключается — на его выходе появляется уровень лог. 0. Конденсатор С2, заряженный до напряжения питания, начинает разряжаться через резистор R3. Через несколько десятков секунд напряжение на входах элемента DD1.2 снижается настолько, что элемент DD1.2, а вслед за ним и DD1.3 переключаются, на затворе транзистора VT1 появляется уровень лог. 0, и он закрывается, прекращая шунтировать эмиттерные переходы составного транзистора VT2VT3. В начале каждого полупериода он открывается и включает симистор VS1 — лампа EL1 при этом светит.
При кратковременных засветках фотодиода VD1 (например, фарами проезжающего автомобиля, вспышками молнии и т. п.) напряжение на полностью разряженном конденсаторе С2 не успевает сколько-нибудь существенно измениться — этим достигается высокая помехоустойчивость предлагаемого фотореле.
О деталях. Транзисторы MJE13002 и диоды 1N4007 извлечены из ЭПРА неисправной КЛЛ. Критерий для замены транзисторов: напряжение коллектор—эмиттер — не менее 400 В, максимальный ток коллектора — не менее 100 мА, статический коэффициент передачи тока базы h21э — более 25. Если этот параметр транзисторов менее 25, то сопротивление резистора R4 следует снизить до 200 кОм.
Требования к диодам VD4—VD7 — прямой ток не менее 100 мА, обратное напряжение не менее 700 В. Симистор TC106-10 должен быть не менее 5-го класса по напряжению, т. е. выдерживать в закрытом состоянии напряжение не менее 500 В. При замене указанного на схеме симистора импортным необходимо учитывать коммутируемую мощность и иметь в виду то, что ток через холодную нить накаливания осветительной лампы в 5… 10 раз превышает номинальный. При мощности нагрузки свыше 200 Вт симистор необходимо установить на теплоотвод.
Фотодиод ФД256 извлечён из СДУ старого телевизора. Фотодиоды видимой части спектра очень редко бывают в продаже, поэтому при отсутствии ФД256 стоит поэкспериментировать с ИК-фотодиодами других типов. Критерий пригодности — не менее чем десятикратное изменение обратного сопротивления при изменении освещения. Некоторые ИК-фотодиоды, применявшиеся ранее в промышленной аппаратуре, имеют неплохую чувствительность и в видимой части спектра. Очень хороши, например, ИК-фотодиоды, извлечённые из дымовых пожарных извещателей, например, типа ИП-212, в огромных количествах выбрасываемых при ремонте пожарной сигнализации, выработавшей установленный срок эксплуатации в учреждениях и организациях. Освещать фотодиод при экспериментах необходимо светодиодной лампой, имеющей минимальное излучение в инфракрасной области спектра.
Стабилитрон VDЗ — любой маломощный с напряжением стабилизации 3,3…5 В, диод VD2 — любой маломощный кремневый. Транзистор КП501А заменим любым из серий КП501, КП504, КП505. Возможная замена микросхемы КР1561ТЛ1 — К561ТЛ1, 564ТЛ1 или импортный аналог CD4093B.
Постоянные резисторы — любого типа указанной на схеме мощности рассеяния (мощность рассеяния резистора R4 — 0,5 Вт — выбрана из соображений электрической прочности). Подстроечный резистор при установке устройства внутри помещения — любого типа, при расположении вне помещения желательно применить резистор закрытой конструкции, например, СПО-0,15, СПО-0,5 или СП4-1. Для герметизации внутренней полости резистора на валик движка в месте выхода его из корпуса следует нанести слой технического вазелина или консистентной смазки ЦИАТИМ.
Конденсаторы С1, СЗ могут быть любых типов, как плёночные, так и керамические, С2 — оксидный импортный (номинальное напряжение — 50 В — выбрано значительно выше рабочего из соображений обеспечения хорошей межобкладочной изоляции — чем выше номинальное напряжение, тем лучше изоляция, т. е. меньше ток утечки).
Устройство собрано на фрагменте универсальной макетной платы размерами 45×25 мм. При использовании исправных деталей и отсутствии ошибок в монтаже налаживание сводится к установке подстроечным резистором R1 желаемого порога срабатывания. Для защиты от атмосферных воздействий отрегулированная плата покрыта нитролаком в два слоя и помещена в корпус от пожарного извещателя ИП-212, имеющий неплохой внешний вид.
Автор: К. МОРОЗ, г. Белебей, Башкортостан